宽动态的三种芯片组合
阅读：1219发布时间：2014-3-17
目前，结合CMOS与DSP两种技术的宽动态摄影机，已渐渐主导整个安控市场，其中具有宽动态功能的摄影机，价格上往往较具有竞争力。从松下开发其*支宽动态摄影机起，宽动态技术目前已经进展到第3代，称为“TrueWDR”——信噪比需要高于100，这样的话，足以应付所有宽动态的光差环境。
宽动态技术快速的发展，在安控市场更显得举足轻重。在这样的条件背景下，宽动态仍需步步为营，未来才能有稳健的市场。目前大部分宽动态摄影机主要都是靠“两个影像合并”而显像，因此摄影机所使用的DSP如果没有好的影像处理效能，可能会导致影像回復不佳、色差过大、成像模煳或是解析度不足等问题，于是，了解宽动态的技术与应用，是越来越重要的课题。
何谓宽动态？
许多使用者并不清楚什么是真正的宽动态、误解宽动态的功能，甚至很多製造商对宽动态下了不同的定义，而忘却宽动态的本质。
很多时候，一家厂商所定义的一个宽动态名词，往往和另一家厂商所解释的技术相去甚远，就像digitalWDR或TrueWDR，每家厂商都有不同解释。简单的说，WDR就是能够同时清楚地显示摄影机所捕捉到zui亮与zui暗的画面;换句话说，WDR可以将背光在高反差的情境下，重新调整影像画质到的境界。
当一道强光源(阳光、光线或反光)与其投影或背光，和其他照度较低的区域，同时在一个画面显像时，强光区就会过度曝光，而呈现一团白光的影像，相对地，照度较低的区域常因为曝光不够，反而会有一堆黑影，这两种情形都将产生品质低劣的画面。摄影机在光差大的环境下，成像的品质往往有所侷限，侷限范围即是所谓的“动态范围”。
使用宽动态要学会取捨，在成像的过程中，主要诉求为“降低杂讯”和“强化有用讯号”，而宽动态zui明显的权衡即是杂讯与手动微调的功夫，透过降低杂讯可以达成宽动态，但仍需仰赖手动微调做适当的强化。
此外，宽动态可以定义为一个影像中“zui亮与zui暗区域的相对比例”，因此这不会是一个值，而是一个相对值。该比例可以用“信噪比”表示，一般传统的摄影机信噪比为10，而宽动态摄影机信噪比为48，两者间差了38dB。目前第3代宽动态摄影机信噪比可以达到95dB，以现有的技术，信噪比大概介于120～130dB。
宽动态技术主要採用了3种不同的感光芯片与处理器的组合，以达成其处理光差大的效能。感光元件是影响宽动态功能非常重要的元素，摄影机的宽动态范围即是取决于感光元件的效能。因此，处理器与感光芯片的採用就相当重要;假如我们採用旧型的ISP搭载新的宽动态感光器时，宽动态的功能将无法展现zui大的效益。
透过叁种不同的芯片组合，宽动态技术将有进一步的进展。过去一般传统摄影机对于处理不同背光条件的影像，往往採用的技术包括：低照度、滤镜、偏光技术、自动对焦与背光补偿，但这些技术目前已不敷使用。宽动态能弥补上述各种技术的不足，也能超越上述各种技术的效能。以下简单介绍叁种不同的芯片组合方式：
1.CCDSensor+DSP
这种宽动态即是所谓的数码宽动态，其所采用的是“多重曝光”，主要结合短时间与长时间的曝光速度。
*道曝光是将所捕捉到的较亮画面，作细部的处理，让影像能够更逼真的呈现，处理过的画面将存在摄影机的暂存区;第二次曝光将针对较暗的影像做处理，该影像也是让成像显得清楚易见，其储存位置与*道曝光影像相同。当两次曝光的影像再经由影像处理器做更精緻的画面修饰后，再合成两张影像，交叠成zui终画面。
2.CMOSSensor+DPS
该技术是源自Pixim所开发的影像捕捉系统，该系统源于90年代的CMOS，叫作数码像素系统(DigitalPixelSystem，DPS)。
这种宽动态是结合ARM7CPU的控制技术，将每一个像素做“单独曝光”。比起多重曝光技术，DPS能做的宽动态范围较具弹性。
从信噪比的功能来看，这种组合的信噪比能够达到95dB，有的甚至可以达到120dB。该种技术所使用的DPS，能够解决CCD所面临的问题，如画面颜色失真或有限的影像处理效能，而该技术能够重製逼真的颜色，较能符合安控实际应用。
CMOS+DPS的组合可比喻为眼睛与头脑的运作，允许影像处理器和感光元件有双向与即时的互动。当DPS在处理影像时，它可以同时传送讯号到感光元件上，这不仅可以改善曝光时间，也可以改善影像捕捉时的运算时间，以达到较好的影像运算效能。因此，该组合对于处理光差大的环境，其所提供的画面会较逼真、完整。
DPS将每一个曝光的像素结合，每一个像素都是一组完整的运算迴路，有效缩小影像像素的感光面积，曝光的面积变小，也就提升了摄影机的敏感度。
3.Sony Effio-P
相较于前两项的组合，SonyEffio宽动态有更实际的应用。Effio-P两年前由Sony推出，Effio-P能够结合的感光元件并支援双核CCD，以有效达成trueWDR，让摄影机能够有效处理高光差的背光环境，以呈现清楚的影像。
宽动态并非
不同的芯片组合将产生不同的影像效果，摄影机前端使用好的感光芯片，不代表就能达成*的宽动态效果，效能的好坏主要仍取决于后端的影像处理系统。
另一个影响的元素是结合CMOS的韧体，如果感光芯片一样，但ISP或DSP的组合如果不同，宽动态的展现也会有所不同。可以透过韧体改善ISP的运算效能，而提升影像，但zui明显的差别还是有赖于其所用的硬体。
有些厂商也会开发其他的芯片，来解决影像处理功能，如大华以FPGA芯片来提升影像品质。因此，为确保有好的宽动态效能，厂商必须有好的设计，再用韧体配合设计，以因应不同需求。宽动态功能与摄影机的预设值也有关，每家厂商都各自定义影像成像的方式，因此在实际的应用场景裡的设定偏好也有所不同。因此，即使厂商使用相同的芯片组合，但预设值不同，宽动态的性能也会不同。
有些使用者也会担心宽动态的功能，是否会受摄影机为网络、类比或HD-SDI的类型而受影响。就技术层面而言，摄影机介面不影响宽动态的展现，因此使用网络、类比或SDI摄影机不影响宽动态效益，其主要的不同取决于摄影机是採用CMOS或CCD，用CMOS的摄影机宽动态范围往往较广。
宽动态技术虽然发展迅速，但低照度点仍然很高，无法像人眼一样敏锐。当背景越黑，宽动态的效能越差，大部分的宽动态摄影机需要搭配背光补偿功能，以提升高光差环境的影像捕捉品质。
宽动态其他的限制还包括：有限的光圈比例和影像拖影问题。由于影像是由一张一张的照片堆叠而成，物体移动时，总免不了影像拖影的问题，这也是目前只有几家，可以满足使用者需求的原因。
